飞行训练模拟器是训练飞行员、航天员的基本地面训练设备，是经济、高效并且安全的训练方式。世界上各主要航空航天大国都研制了大量的飞行训练模拟器。现代先进的基于离心机的飞行训练模拟器均集加速度模拟、视景、舱内环境控制及闭环控制于一身，使地面模拟效果达到了以假乱真的程度。美国、俄罗斯(前苏联)均研制了各种不同种类和规模的训练模拟器，并取得良好的训练效果，保证了飞行任务的圆满完成。
　　我国从20世纪70年代开始研制并使用模拟器进行训练工作。相继开发并投入使用的有各种型号的飞机、潜艇、坦克训练模拟器和汽车驾驶教学模拟装置等。随着我国载人航天事业的发展，研制开发我国载人航天用飞行训练模拟器已经成为当务之急。而且随着载人航天后续任务的发展，更需要研制一系列不同用途、功能和性能的训练模拟器。
　　由于航天器等飞行器的功能越来越强大，系统日趋复杂，更新换代逐渐加快，对训练模拟器的研制开发造成了巨大的压力。一是飞行训练模拟器的种类和数量急剧增多，规模越来越大，训练成本成倍增加；另外由于更新换代加快，甚至影响了训练任务的正常进行。一般情况下，模拟器的研制开发工作是同真实飞行器的研制几乎同步进行的，对航天飞行模拟器来说尤为如此。随着航天器本身逐渐发现问题并进行改进，模拟器也需要进行相应的调整。另外，对航天员的训练工作不能因对模拟器的改造而长时间停滞。这些都对模拟器的开发工作提出了巨大的挑战。
　　虚拟现实技术的发展为解决这些问题提供了全新的解决方案。简要地说，虚拟现实是一种由计算机创建的虚拟世界，并且可以使人沉浸其中，获得同真实世界相同的体验。其关键技术包括计算机图形学、图像处理与模式识别、多传感器、语音图像处理及网络技术等。
一、应用现状
　1．技术背景
　　虚拟现实技术是20世纪60年代提出的一种基于计算机、图形图像处理、多传感器、网络以及人－机工程的综合技术，通常表述为“虚拟现实”(或虚拟环境等)。这种技术可以提供高保真度的视听信息，使用户沉浸在计算机系统所产生的“虚拟环境”中，并获得同真实环境基本相同的交互体验。在诸如工程设计、建筑学、数字成像、远程操作等领域的应用前景刺激了该技术的迅速发展，并且为各种领域的技术训练提供了一种新颖的训练方式。更重要的是，该技术允许用户同计算机产生的虚拟环境直接进行信息交互，从被动的观众转变为积极参与事件的重要角色。概括起来，虚拟现实技术就是利用计算机相关学科发展起来的最新技术，生成一个让人可直接通过视、听、触觉等进行交互的虚拟的客观世界。在这种计算机生成的虚拟的客观世界里，人们可用习惯的形式和方法，对这个虚拟世界进行观察、分析、操作和控制。
　　2.虚拟现实技术的应用
　　世界上许多国家都先后开展了对虚拟现实技术相关课题的研究和开发工作。在一些典型研究实践中，基于虚拟现实的训练模拟器已经进入实用阶段。有代表性的包括美国的“毒刺”导弹训练装置和美、德合作开发的SIMNET坦克模拟训练网络等。航天领域一个非常著名的计划是用虚拟现实训练模拟器培训“哈勃”望远镜维修任务飞行乘员组和地面支持专家，保证了维修“哈勃”望远镜的成功。　　

美国开发的“毒刺”导弹虚拟训练器采用了头盔显示器、交互式音响技术、Provision工作站以及三维鼠标器等先进技术手段，并制造了与实物同样大小的塑料“毒刺”导弹模型，以使被训练人员在模拟训练中有良好的触觉真实感。三维鼠标器装在导弹模型的手柄中，以便进行跟踪、发射等操作。在美、德合作开发的坦克模拟训练网络中，每个SIMNET模拟器都是一个独立的装置，它可复现M1主战坦克的内部，包括导航设备、武器、传感器和显示器等。其车载计算机可以动态模拟车载武器、传感器和发动机的各种信息，另外还存储着可产生整个虚拟战场的数据库资料。利用其数据库资料可准确地复现特定地区的地形特点，包括植被、道路、建筑物、桥梁等等。
　　应用虚拟显示技术创建的“哈勃”望远镜维修飞行任务的模拟训练设备，除了复制出“哈勃”望远镜的物理结构和各种部件之间的关系外，还建立了同所有主要维护维修程序相关的最严格的边界条件模型，第一次实现了同部分智能计算机辅助训练系统的集成。飞行任务结束以后，从受训人员收集到的调查数据证明，对受训人员来说，在虚拟现实模拟器中的训练提高了他们在真实飞行任务中的工作效率。
二、虚拟现实训练模拟器的技术优势　　

同传统的训练模拟器相比，基于虚拟现实的训练模拟器有着无可比拟的巨大优势。
　　首先，基于虚拟现实技术的训练模拟器可以方便地实现一机多能，即利用一个训练平台完成多种飞行任务的训练。随着航天飞行器物理界面和飞行任务种类不断增加，模拟器的种类和数量也迅速上升。以美国为例，从“水星”计划开始，研制了各种固定基和活动基的飞行训练模拟器、大型中性浮力失重模拟设备、超重与垂直运动模拟器、航天员出舱活动模拟器等，形成了庞大的模拟器群。从功能上讲，各种不同的模拟器之间必然存在着功能重复和交叉浪费，管理也不方便。而基于虚拟现实的训练模拟器在一种硬件平台的基础上，对一些应用软件进行少量的更改即可成为全新任务的训练模拟器。
　　其次，容易同航天器的研制开发工作保持同步，并且可非常方便地进行升级改造。载人航天用飞行训练模拟器同航空用飞行训练模拟器的最大不同在于前者的研制往往是和航天器的研制同时进行，这样就造成在模拟器的研制过程中必然缺少一些重要的数据。另外，模拟器的研制周期缩短，而同时系统复杂程度却大大提高。在航天器的不同试验阶段中出现的一些问题都可能引起对航天器本身的修改，而这些修改可能对模拟器的研制工作带来非常不利的影响。但是，不管出现什么不利因素，当载人航天器最后研制成功并进入载人飞行时，模拟器的技术状态必须要和真实的载人航天器保持一致，而且还必须保障航天员的训练时间。模拟器研制成功并交付使用以后，在保证大量训练任务的同时，同样必须进行必要的维护、保养工作，而所有这些又不能影响航天员的训练工作。随着技术的进步，对航天器的技术改造越来越频繁，这些变化必须在飞行训练模拟器中进行演练，这都大大增加了模拟器研制及升级改造工作的难度。
　　另外，借助网络技术，基于虚拟现实技术的训练模拟器可以实现多用户同时训练。随着航天技术的发展，人类航天飞行活动越来越频繁，飞行任务也日趋复杂。一方面需要对更多的航天员进行训练，另一方面训练课程的内容也更加广泛和深入。而有些航天飞行任务则更需要航天员和地面技术专家及支持人员密切协同才能完成，这些都大大增加了训练任务的工作量。传统的训练模拟器往往规模庞大，运行费用昂贵，并要求很长的准备时间，根本难以满足正迅速增长的训练任务的需求。而基于虚拟现实技术的训练模拟器的技术特色之一就是网络技术，为解决这个问题提供了非常完善的技术途径，应用前景非常光明。
三、虚拟现实飞行训练模拟器的几点考虑　　

我国在虚拟现实技术领域的研究与应用发展比较快，如应用虚拟现实技术开发建立了故宫的三维立体模型，成功地开发了“虚拟故宫”系统。在该系统中，通过头盔显示器，实现了在计算机生成的虚拟的故宫世界里骑自行车的漫游。但总体上，我国在虚拟现实技术领域的研究、开发和应用水平同国外仍然存在很大差距，特别是在有关基础性研究开发领域，如数据手套和头盔显示器等基本硬件的研制和开发等环节上。
　　1．技术途径
　　总体来说，模拟器采用的技术途径可分为物理仿真、数学仿真和物理数学混合仿真等三种基本模式。物理仿真主要是采用物理模型对环境、界面、过程等进行仿真的模式；数学仿真主要是采用计算机技术创建数学模型进行仿真的模式；而混合仿真则是介于物理仿真和数学仿真之间的一种模式。
　　根据我国虚拟现实技术和载人航天飞行训练模拟器研制工作的技术基础和技术水平，建议采用物理仿真和数学仿真相结合的混合仿真模式，并逐渐减少物理仿真的比重，提高数学仿真的比重，循序渐进地开发基于虚拟现实技术的飞行训练模拟器。应在现有的技术水平基础上，基于已经完成的硬件设备和模拟座舱界面，首先利用软件实现舷窗外太空景象的数学仿真，逐步建立并完善太空景象及天体的三维立体模型，从而给航天员创造一个虚拟的外部太空景象，为航天飞行训练打下基础。
　　在建立并完善外部太空虚拟景象的基础上，要逐渐实现座舱仪表板及舱内人－机界面的软仪表化。要充分利用高性能计算机、实时多任务操作系统和相应工具软件以及平板显示器等技术领域的创新和突破，用软件建立可编程并便于维护和升级的、显示在平板显示器上的虚拟的座舱仪表板系统。在这种技术支持下，可以方便地对座舱仪表板系统的显示、操作界面进行更改。在此基础上，如果再结合座舱视景系统显示图像的某些改变，可以方便地在同一硬件平台上实现不同任务的模拟训练。
　　另外，要在模拟座舱这一特定的环境条件中，逐渐开发并建立模拟座舱内的人体定位传感系统，其中可以包括基于磁、电、光以及声学等各种原理的传感器，实现人－机之间的多通道交互。在座舱这个相对比较大的环境中建立基本完善的人体定位传感系统之后，再结合数据手套、数据服以及头盔显示器等设备，则可以建成几近完美的虚拟现实飞行训练模拟器。
　　2．关键技术
　　针对我国技术发展的基本特点，应从硬件、软件这两个基本点出发，立足解决实际问题，重点突破以下部分关键技术：(1)传感器技术；(2)临境交互通信技术；(3)图形图像处理技术。
　　目前硬件设备技术水平还有待于更大的提高。对于头盔显示器，需要对重量、分辨率、显示频率、跟踪精度、视场角等技术指标进行大幅度的提高。同样，对数据手套等设备，需要在延迟性、可靠性、精度、舒适性等指标上进行提高。头盔显示器有投入式和半投入式两种形式，但都包括定位传感系统和光学系统两大部分。对定位传感系统的要求是灵敏度高和延迟小。灵敏度低易受外界环境影响，而延迟时间长除不能给出正确的位置信息外，还将引起观察者头昏、恶心。
　　软件部分应包括人－机交互通信、控制软件以及视景图像模型库等部分。其中，人－机交互通信、控制软件的研制同基本硬件设施即传感器的研制工作是密不可分的，而视景图形库可利用目前的图形图像处理软件如OpenGL、CAD、3DMAX、PHOTOSHOP等进行一些三维模型的建立、修饰以及渲染等工作。
四、结束语　　

同应用传统技术的模拟器相比，基于虚拟现实技术的飞行训练模拟器有巨大的优势。首先，它可实现在一个训练平台上进行多任务模拟训练，一机多能。通过软件的升级和更新，它可以方便地从在轨机动任务模拟转换为交会对接模拟训练，从而可节省资源，提高利用效率。其次，应用虚拟现实技术的训练模拟器可以方便灵活地进行更改和升级。载人航天器的研制是非常复杂的系统工程，研制过程中出现部分更改和反复是难以避免的，而由于航天任务的特殊性，飞行训练模拟器又必须同航天器的研制工作同步进行而稍微早一些投入运行才能保证对航天员的训练工作。应用虚拟现实技术正好能够满足以上要求而不会在模拟器的研制和改造过程中出现大的反复和浪费，是保证工程进度的有效手段。另外，未来的载人航天飞行，科研任务将日趋复杂，所涉及的专业和学科越来越广泛和深入，对航天员的训练工作提出了更高的要求。基于虚拟现实技术的训练模拟器可借助于网络技术同时对多人进行训练，在保证训练人员的数量、训练强度和效果的基础上节省大量的训练费用。可以说，基于虚拟现实技术的飞行训练模拟器技术优势十分明显，是飞行训练模拟器的发展方向